基于煉油廠計劃優化模型的氫氣系統優化研究

張會兵 蘇燕飛

摘要：煉油廠在進行生產過程中對于氫氣資源的利用率比較低，所消耗的煉化成本較高，因此需要結合煉油廠的實際生產情況，對氫氣系統進行優化，可以有效提高氫氣資源的利用率。氫氣系統優化裝置包括兩種方法：夾點分析法和超結構優化法。利用不同的優化方法可以有效降低氫氣系統的運行成本，進而提高煉油廠企業的經濟效益。

關鍵詞：氫氣系統;優化研究;煉油廠

隨著煉油廠生產工作的不斷擴大，需要生產高質量的成品油，因此在生產過程中對氫氣工藝進行優化，已經成為很多煉油廠企業所研究的重點內容。煉油廠生產規模的不斷擴大，對氫氣資源的需求量不斷提高，因此在滿足產品質量的前提下，選擇低成本的氫源、降低氫氣使用程度、提高氫氣管理水平，已經成為煉油廠提高市場競爭力的重要策略。

1前言

氫氣能源是一種非常寶貴的能量資源，在煉油生產過程中是非常重要的原料來源，隨著社會各界對成品油質量的不斷提高，煉油廠對氫氣的需求量越來越大，氫氣系統在煉油廠中的地位越來越重要。隨著煉油廠行業的重質原油比例增加，原油重質化和劣質化的趨勢越來越明顯，因此利用氫氣提高油品質量就顯得尤為重要，加氫工藝在煉油廠生產過程中得到了非常廣泛的作用，但是很多煉油廠的加氫工藝所消耗的成本比較高，造成嚴重的資源浪費，對氫氣系統進行優化具有非常重要的意義。

煉油廠氫氣系統優化主要采取兩種方法：夾點分析法和超結構優化法。

（1）夾點分析法主要是利用圖形法為基礎，能夠對氫氣的生產程度和數量進行明確觀察，利用夾點分析法可以直接得出氫氣的最小需求量。夾點分析法在氫氣系統優化過程中有著非常重要的作用，并且已經取得了巨大成就。但是夾點分析法在使用過程中會面臨壓力約束、運行成本、投資成本等問題。

（2）超結構優化法是氫氣系統工程中一種重要的研究方法，超結構優化法的主要工作原理就是將所有的氫源、氫阱進行連接，并結合限制條件，得出最優秀的網絡結構。建立超結構優化方式需要建立連接的初始網絡結構，并通過優化算法確定最優網絡結構，在該過程中需要結合有相關的數據模型以及優化算法，才能夠得出超結構優化法中最為優秀的網絡結構。超結構優化法中的數學模型是由目標函數和約束條件所構成，超結構模型中的限制包括所有最基本的限制，即氫源流量限制，氫阱流量限制和濃度限制，接近實際生產的限制還包括壓力約束，雜質約束，清潔設備約束，壓縮機設備約束等。超結構優化法的主要特點就是可以使氫源和氫阱之間實現連接，利用優化模型可以確定最佳的供氫路線和供氫量，并且在進行優化計算過程中可以直接添加約束條件，不斷改變相應的目標函數，可以獲得最佳的優化網絡結構。

2氫氣系統建模

對氫氣系統進行優化需要依靠實時數據，在進行優化過程中包括壓縮機約束、氫氣供求約束以及物料平衡約束等約束條件，在滿足經濟需求的前提下，需要對制氫裝置、氫氣回收裝置以及耗氫裝置進行優化，實現在不同的操作條件的氫氣系統優化，根據數據模型能夠及時計算出最佳的供氫方式和氫氣調度方案，為操作人員制定優化策略，從而有效減少能源的消耗，降低氫氣消耗成本，對煉油廠的氫氣系統進行精細化管理。

氫氣系統進行模型優化的主要目標是結合工藝約束條件以及設備約束條件為基礎，建立不同的群體優化模型，以氫氣系統運行成本的最小值為目標，結合優化算法得出優化方案。氫網絡的結構模型分為線性模型和非線性模型，相比之下，MINLP模型包含當前的氫氣網絡。網絡結構上的復雜約束使優化后的結構更簡單。但是，MINLP模型中不包括對等設備或清潔方法的選擇。煉油廠氫網絡上部結構的五個模型，它們是基本的NLP模型和改進的NLP模型，其中考慮了再循環和壓力約束以及所有MINLP模型約束，以及兩個改進的MINLP模型增加了一個新的壓縮機，另一個考慮了增加新的壓縮機。

3氫氣系統優化

煉油廠氫氣系統優化策略可以分為三個部分：加氫裝置優化;制氫裝置優化;制氫過程中的反應優化;

3.1加氫裝置優化

在確保最小氫油比和最小氫氣純度下，并確保加氫裝置能夠穩定運行，可以采用減少氫量來降低加氫裝置的氫油比，節省加氫裝置循環氫壓縮機的能量消耗，采用中壓蒸汽驅動可以有效節省加氫裝置的能量消耗成本。

3.2制氫裝置原料氣優化

制氫裝置的主要原理是利用天然氣為原料結合烴類水蒸氣轉化法的制氫工藝，達到工業氫工藝標準，并通過擴能改造達到符合工藝需求。制氫裝置采用焦化干氣為原料，可以有效降低裝置的進料量，降低裝置能耗，與傳統原料催化干氣相比，焦化干氣的轉化率更高，在相同的轉化率情況下，焦化干氣的產氫量更高。

3.3制氫中反應優化

很多煉油廠的制氫量已經無法滿足工廠需求，需要優化裝置操作，提高裝置產氫量。煉油廠制氫工藝主要包扣轉化反應和中變反應兩部分，在轉化反應中會勝場H2S，C2O和CO等一些雜質對脫硫程度和烯烴飽和度有極大的影響，進而影響油質。在轉化反應是放熱反應，通過提高溫度可以加速反應進行，但是不利于制氫平衡移動，影響烴類轉化率的因素為溫度。水碳之間的比列、空速以及壓力。因此需要改變制氫中變反應，可以有效提高氫氣產率，

4結束語

目前很多煉化廠的氫氣系統缺乏相應的管理經驗以及專業的管理工具，會導致煉化廠的生產成本增加，因此煉化廠的氫氣管理系統有待提高，針對我國煉化廠氫氣系統在進行生產過程中所存在的問題，建立合適的優化模型，不僅可以提升氫氣的利用率，還可以有效提升氫氣系統的運行成本，在模型建立過程中，需要考慮各種約束條件，采用非線性數學規劃方法可以得出氫氣系統優化方案，進而提高煉油廠的經濟效益。

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